哈工大-数控技术-大作业-发展过程-发展趋势-国内外发展现状-数控系统

HarbinHarbinHarbin InstituteInstituteInstitute ofofof TechnologyTechnologyTechnology 数控技术大作业数控技术大作业数控技术大作业数控技术大作业 题 目： 院 系： 机械制造及其自动化 班 级： XXXXX 姓 名： XX 学 号： XXXXXXXXX 哈尔滨工业大学 目目 录录 摘摘 要：要：.2 引引 言言.2 一、一、数控系统的发展过程和趋势数控系统的发展过程和趋势.2 (一)数控系统的发展简史 .2 （二）数控系统发展趋势 .3 二、二、国外和国内数控系统功能介绍与应用分析国外和国内数控系统功能介绍与应用分析.5 （一） 、FANUC 的新一代 NGC 系列数控系统 .5 （二） 、三菱数控系统 C70 .6 （三） 、凯恩帝 K1000MII .6 （四） 、华中数控 HNC-19XP-M 数控装置 .7 （五） 、南京华兴数控 WA730M-5 .8 三、三、国内数控系统与国外知名数控系统比较国内数控系统与国外知名数控系统比较.9 (一)、中高档、中低档数控系统的综合比较.9 (二)、 高档数控系统国内外综合比较.9 (三)、国内外数控系统的比较与差距 .10 参考文献参考文献.10 调研报告数控系统的国内外发展及应用现状 机电工程学院：XXX 学号：XXXXXXXX 摘摘 要要：数控系统是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要 求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵的关键零件、要求精密复制的零件。数控系统 的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。 关键词：关键词：数控系统，发展趋势，国内外对比，知名系统 引引 言言 从数控系统出现以来，给制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工 精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提 高。 数控系统是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控系统为代表的新 技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆 盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术； (5)传感器技术；(6)软件技术等。 一、一、数控系统的发展过程和趋势数控系统的发展过程和趋势 制造业是生产物质财富的产业，机床是制造业的主要生产设备，制造 业中的绝大多数 零件都直接或间接地经过机床加工，固此机床(也称工作母机)是制造业的基础。 数控系统的出现极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。对于整个制造业来 说由于数控系统的大量使用，使得产品质量大幅度提高，新产品开发周期明显缩短。目前 数控系统已经遍布军工、航空航天、汽车、造船、机车车辆、机床建筑、通用机械、纺织、 轻工、电子等几乎所有制造行业。 ( (一一) )数控系统的发展简史数控系统的发展简史 数控机床是在机械制造技术和控制技术的基础上发展起来的，其过程大致如下： 1948 年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制直升飞机螺旋桨叶片轮廓检验用样 板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出采 用数字脉冲控制机床的设想。 1949 年，该公司与美国麻省理工学院(MIT)开始共同研究，并于 1952 年试制成功第一 台三坐标数控铣床，当时的数控装置采用电子管元件。 1959 年，数控装置采用了晶体管元件和印刷电路板，出现带自动换刀装置的数控机床， 称为加工中心( MC Machining Center)，使数控装置进入了第二代。 1965 年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提 高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。 60 年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统(简称 DNC)， 又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统(简称 CNC)，使数控装置进入了以小 型计算机化为特征的第四代。 1974 年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置(简称 MNC)， 这是第五代数控系统。 20 世纪 80 年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编 制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度 进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。 20 世纪 90 年代后期，出现了 PC+CNC 智能数控系统，即以 PC 机为控制系统的硬件部分， 在 PC 机上安装 NC 软件系统，此种方式系统维护方便，易于实现智能化，网络化制造。 （二）数控系统发展趋势（二）数控系统发展趋势 1体系开放化发展 计算机技术的飞速发展，推动数控系统更快地更新换代。开放式体系结构使数控系统有 更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并可以较容易地实现智能化、网络化。 1)向未来技术开放：软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整， 新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容。 2)向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊 应用要求； 3)数控标准的建立：标准化的编程语言，既方便用户使用，又降低了和操作效率直接有 关的劳动消耗。 2.高速化 随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机 床加工的高速化要求越来越高。 1）主轴转速：机床采用电主轴(内装式主轴电机)，主轴最高转速达 r/min； 2）进给率：分辨率为 0.01m 时，最大进给率达到 240m/min 可获得复杂型面的精确加 工； 3）运算速度： CPU 已发展到 32 位以及 64 位的数控系统，频率提高到上千兆赫。使得 当分辨率为 0.1m、0.01m 时仍能获得高达 24240m/min 的进给速度； 4）换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在 1s 左右，高的已达 0.5s。 3.高精度化 数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及 对振动的监测和补偿越来越获得重视。 提高 CNC 系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使 CNC 控制 单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度(日本已开发装有 106 脉冲/ 转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到 0.01m/脉冲)，位置伺服系 统采用前馈控制与非线性控制等方法； 采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对 设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将 加工误差减少 60%80%； 采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度， 以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多 种加工任务，并保证零件的加工质量。 4.功能复合化 复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根 据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。缩短了产品制造周期，提高了生产效率 和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。 国内外的多轴加工机床(包括双主轴、双刀架、9 轴控制等)以及可实现 45 轴联动的 五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削中心等。 5.控制智能化 随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控 机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面： 1）加工过程自适应控制技术 2）加工参数的智能优化与选择 3）智能故障自诊断与自修复技术智能故障回放和故障仿真技术 4）智能化交流伺服驱动装置 6驱动并联化 并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定 导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷。 并联机床作为一种新型的加工设备，已成为当前机床技术的一个重要研究方向，受到了 国际机床行业的高度重视，被认为是 “21 世纪新一代数控加工设备”. 7极端化(大型化和微型化) 国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数 控机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是 21 世纪的战略技术，需发展能适应微小 型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备，所以微型机床包括微切削加工(车、铣、 磨)机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大。 8信息交互网络化 使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，既可以实现网络资源共享，又能实现数控 机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务(数控机床故 障的远程诊断、维护等)。 9.多轴联动化方向发展 在加工自由曲面时，而五轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣 刀在铣削三维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显著改善加工表面的粗糙度，多轴联 动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点。 二、二、国外和国内数控系统功能介绍与应用分析国外和国内数控系统功能介绍与应用分析 （一）（一） 、FANUCFANUC 的新一代的新一代 NGCNGC 系列数控系统系列数控系统 1.FANUC 新一代 UGC 的 3 个系列 a）.0i 系列：高可靠性和高性能价格比的 CNC， 该系列包括 FS0i/0i Mate-MODEL C； b）.16i 系列：适合于高速、高精、纳米 CNC，该系列包括 FS16i/18i/21i-MODEL B； c）.30i 系列：适于先进、复合、多轴、多通道、纳米 CNC，该系列包括 FS30i/31i/32i- MODEL A。 2这些系列的数控系统主要特点为： (a）. 可以满足从低端到高端的需要 从一般的车床、铣床、加工中心、磨床到功能齐全的复杂、先进的复合、高精、高速和 高效、多轴联动、多工位、多通道数控机床等，都能满足，也可以适应从金切机床到冲压成 形机床的不同品种的需要。 (b）. 采用最新的硬件技术 NGC 的 30i 系列采用了最新的超高速微处理器。另外，除了在液晶显示器的下面配备的 横排软键外，还在液晶显示器的旁边新设了竖排软键。利用横竖两排软键，可方便地进行屏 幕操作。 (c).多轴、多通道的数控系统 NGC 系列新开发的 16i 系列，轴数有了明显的增加，表 2 是 16i 系列的轴数，其中括弧 内为旧 16i 系列的轴数据。 (d).具有丰富的高精、高速功能 i.纳米插补：纳米插补产生以纳米为单位的指令给数字伺服控制器，使数字伺服 控制器的位置指令平滑，因而也就提高了加工表面的平滑性。 ii.AI 纳米轮廓控制功能 iii. AI 纳米高精度控制 iv.加速度控制:这个功能可以提高加工表面的质量，减少加工时间。 v.NURBS 插补：NURBS 是一种自由曲线；当采用 CAD 设计模具时，NURBS 被广泛地 用来表示自由曲线 vi.纳米平滑：在模具加工中，可以再现由 CAD 设计的自由曲面，实现“无研磨” 平滑。由于纳米插补使用由 CAD/CAM 系统创建的微小的线段程序，因此可以继续使用过去 已用惯的程序。 3.NGC 系列 5 轴加工主要功能： (a).用于 5 轴加工的刀具中心点位置控制 (b).倾斜面加工命令 (c).用于 5 轴加工的手动进刀 4.其他特性 (a).高速、大容量、多通道的 PMC 30i 系列由专用的处理器和最新的专用 LSI 组成的 PMC，对大量的顺序控制进行高速处 理。可以在一台 PMC 上执行最多 3 个通道、各自独立的梯形程序。 (b).伺服 HRV(High Response Vector)控制 FANUC 的伺服 HRV 控制是实现纳米 CNC 系统的高速、高精度的伺服控制。目前已发展和 实现了 HRV4 控制。采用 HRV4 控制，可以大幅提高对命令的响应性和抑制外部干扰。电流的 控制是所有伺服控制的基础，HRV4 可实现最高超过 1kHz 的高频响应特性。它还可以实现增 益更高的速度控制。 (c).丰富的网络功能 利用丰富的网络功能和软件，通过网络传递和共亨信息，管理系统和使用系统。在构建 复杂的多路径系统中，实现优良的可视性和操作性。 （二）（二） 、三菱数控系统、三菱数控系统 C70C70 三菱数控系统 C70 系列： 1.满足生产线（汽车发动机等）部品加工要求，提高了可靠性，缩短了故障时间 2.一块基板上同时最大可连接 2 个 NC 控制器 3.强化了数控功能（单个 NC 控制器内支持最大系统数 7，最大支持 6 主轴） 4.标准采用彩色触摸屏显示器，可用 GT Designer 自定义操作界面 5.PC 平台伺服自动调整软件 MS Configurator，简化伺服优化手段 6.全面采用高速光纤通信，提升数据传输速率和可靠性 （三）（三） 、凯恩帝、凯恩帝 K1000MIIK1000MII K1000MII 是新一代高端数控钻、铣床及加工中心系统，采用 32 位高性能处理器及 8.4 英寸彩色液晶显示器，开放式 PLC，全新结构设计，最大控制轴数为 3 轴，同时控制轴数为 3 轴，可配 KND 公司或日本进口交流伺服驱动单元，适用于各种数控钻、铣床及加工中心。 (a).采用 32 位高速微处理器实现高速、高精度控制，最高速度 30 米/分。 (b).屏幕分辨率为 640480 的彩色（TFT）7.5 英 寸或 8.4 英寸彩色液晶显示器。 (c).主板采用六层线路板，表贴元件，定制式 FPGA，整机工艺结构合理，抗干扰能力强，可靠性高。 (d).开放式 PLC，提供调试软件，满足机床厂家的 二次开发要求。 (e).机床面板有标准贴膜按键和按钮键两种选择， 按钮键机床面板上有 50 个按键和 50 个指示灯，它们的 功能用户可自定义。 (f).通过 CAN 总线接口可扩展数字接口和模拟接口，选配远程 I/O 模块可将数字接口可 扩展 512/512 点。 (g).中英文操作界面，完整的帮助信息，操作更方便。 (h).完善的自诊断功能，内部、外部状态实时显示，出现异常立即报警。 (i).超强程序指令处理能力，达到 10000 条/18 秒，可实现高速小线段加工。 (j).高速 DNC 加工，传输速率达到 BPS 同时配有大容量程序缓存。 (k).系统内置 640K 程序空间，可通过 U 盘接口扩展程序空间，并可实现 U 盘 DNC 加工。 (l).丰富的软件控制功能：宏程序 B、刚性攻丝、局部坐标系、机床坐标系、坐标系旋 转、极坐标、比例缩放等。 （四）（四） 、华中数控、华中数控 HNC-19XP-MHNC-19XP-M 数控装置数控装置 世纪星”HNC-19xp 系列数控单元采用先进的开放式 凯恩帝凯恩帝 K1000MII 华中数控 HNC-19XP-M 体系结构，内置嵌入式工业 PC，配置 5.7/（18i/18xp 系列）/彩色（19xp 系列）液晶显示 屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式 PLC 接口于一体， 采用电子盘程序存储方式以及 CF 卡、DNC、以太网等程序交换功能、具有低价格、高性能、 结构紧凑、易于使用、可靠性高等特点。 (a). 最大联动轴数为 3 轴。 (b).可选配各种类型的脉冲指令式驱动单元。 (c). 除标准机床控制面板外，配置 32 路开关量输入和 24 路开关量输出接口、手持单 元接口、主轴控制与编码器接口。 (d).采用 5.7/单色或彩色液晶显示器（分辨率为 320240） (e).全汉字操作界面、故障诊断与报警、加工轨迹图形显示和仿真，操作简便，易于掌 握和使用。 (f).采用国际标准 G 代码编程，与各种流行的 CAD/CAM 自动编程系统兼容，具有直线插 补、圆弧插补、螺旋线插补、固定循环、旋转、缩放、镜像、刀具补偿、宏程序等功能。 (g).小线段连续加工功能，特别适合于 CAD/CAM 设计的复杂模具零件加工。 (h).加工断点保存/恢复功能，方便用户使用。 (i). 反向间隙和单、双向螺距误差补偿功能。 (j).内置 RS232 通讯接口，轻松实现机床数据通讯。 (k). 支持 USB 盘，存取程序方便快捷。 (l). 支持以太网功能选择，快速传输程序与数据。 (m). 400KB 用户零件程序断电存储区（可采用 CF 卡扩充） ，32MB RAM 加工内存缓冲区。 （五）（五） 、南京华兴数控、南京华兴数控 WA730M-5WA730M-5 WA730M-5 是南京华兴数控技术有限公司集十多年数控系统开发经验，在原有多代成熟 产品的基础上，推出的新一代高性能水刀数控加工中心。 系统采用超大规模可编程逻辑电路方案，具有更高的加工控制品质和系统升级空间。系 统可控制数字式交流伺服驱动器及三相细分步进驱动器；系统的电子齿轮功能使得系统可与 任意螺距丝杠直联；螺距补偿功能使机床的精度检验大为简化；显示采用 10.4液晶屏彩 色显示，具有加工零件图形实时跟踪显示以及坐标字符显示的功能，界面设计更为丰富人性 化；图形模拟功能更为强大，具有三维立体模拟和二维平面模拟显示的功能。系统结构采用 整体式工程塑料压模件，造型美观；便捷的双 U 盘接口，可实现 U 盘与系统间的程序互存， 以及系统在现场升级功能。 (a).控制轴数:5 轴 (b).最大联动轴数:3 轴 (c).最小指令单位: 0.001MM (d).最大编程尺寸: 99999.999 (e).最快速度 :60M/MIN (f).进给速度:15M/MIN (h).程序容量/个数: 8M/600 (i).彩色 TFT 液晶屏分辨率：800 x600，10.4 吋 TFT 液晶屏 (j).输入信号: 56 路开关量，光电隔离,其中机床零信号为中断方式接入，快速响应， 手轮接口 2 路，X1，X10， X100 倍率，1 路面板配置，1 路标准外接手脉 三、三、国内数控系统与国外知名数控系统比较国内数控系统与国外知名数控系统比较 ( (一一) )、中高档、中低档数控系统的综合比较、中高档、中低档数控系统的综合比较 1. 广州数控 GSK21M 数控系统 系统具有 4 轴 3 联动控制功能，可扩展至 7 轴 4 联动控制；支持直线、圆弧、样条曲线 插补；最快进给速度可达 60m/min；系统具有 256 点输入输出点；，支持梯形图编程；具有 99 组刀具长度补偿和刀具半径补偿；直线坐标轴具有反向间隙及螺距误差补偿；系统支持 刚性攻丝；系统采用 4 级密码控制系统操作权限；采用电子盘，用户程序容量可达 32MB； 系统可通过 RS232 接口实现与 PC 机通信，用于传输程序、参数和梯形图。支持 U 盘存储。 2. 凯恩帝 K1000M/T II 系列数控系统 系统具有 4 轴 4 联动控制功能；数字量输入输出点数可达 40/24 个，支持梯形图编程； 数控系统 NC 代码处理速度可达 10000/18s，最快进给速度可达 24m/min；系统具有直线插补、 圆弧插补、螺旋线插补等基本插补控制功能；具有刀具半径补偿、刀具长度补偿；具有反向 间隙和螺距误差补偿；系统支持刚性攻丝；系统采用 4 级密码控制系统操作权限；采用电子 盘，用户程序容量可达 640KB；系统可通过 RS232 接口实现与 PC 机通信传输程序、参数和 偏置。支持 U 盘存储。 3. 日本 FANUC 公司 Fanuc-0i MB/TB 系列数控系统 系统具有 4 轴 4 联动控制功能；具有 4 路 D/A 模拟量伺服闭环控制接口；数字量输入输 出点数可达 96/64；分辨率 1m 时进给速度可达 240m/min，分辨率为 0.1m 时进给速度可 达 100m/min；系统具有直线、圆弧、螺旋线插补功能，支持刚性攻丝；数控系统具有刀具 半径补偿、刀具长度补偿，且几何误差、磨损误差可以分别补偿；数控系统支持反向间隙补 偿、螺距误差补偿；PMC 指令处理速度可达 3.3ms/1000 步，采用梯形图编程，最大存储容 量可达 4000 步；系统支持密码控制系统操作权限；支持 CF 卡存储设备，支持以太网通信， 用户 NC 程序存储容量可达 256KB，可登记的程序数量为 200 个。 4 西门子数控系统 西门子数控系统功能极为丰富，例如 5 个数字驱动轴，其中任意 4 个都可以作为联动轴 进行插补运算，另一个作为定位轴使用，同时，还提供一个相应的数字式主轴（模拟主轴即 将推出）作为一个变型使用, 在带 C 轴功能时，可以采用 3 个数字轴，一个数字主轴，一 个数字辅助主轴和一个数字定位轴的配置。 ( (二二) )、 高档数控系统国内外综合比较高档数控系统国内外综合比较 1. 大连光洋 GTP8000E 系列高档数控系统 GTP8000E 系统支持多达 6 个通道最多 32 个轴，每个通道可支持五轴联动控制；具有 直线、圆弧、螺旋线、二维样条极坐标和圆柱坐标等插补功能；具有切线圆弧插补、三次样 条规划、平滑过渡速度等控制方式；系统提供 128 组刀具长度、刀具半径、刀尖半径补偿值， 且几何误差和磨损量可分别补偿；系统采用工业 PC 平台，NC 代码存储容量可达